寶靈寺水電站水輪機(jī)增容分析

扶祥澄，蘭 舟，林洪偉

(1.廣東明珠集團(tuán)韶關(guān)眾力發(fā)電設(shè)備有限公司，廣東韶關(guān) 512000;2.四川大學(xué)工程設(shè)計研究院，四川成都 610000)

1 概 述

平武縣寶靈寺水電站位于綿陽市平武縣響巖鎮(zhèn)上游約4.5km 的涪江干流上，是涪江干流上游鐵籠堡至寶靈寺河段推薦的“一庫七級”開發(fā)方案規(guī)劃的第七級電站，多年平均發(fā)電量10875 萬kW·h，是以發(fā)電為主，結(jié)合航運(yùn)等綜合利用的水電工程。該站設(shè)2臺燈泡貫流式水輪機(jī)組，每臺機(jī)組額定容量為12MW。電站的具體參數(shù)如下:

(1)上游庫水位:

校核洪水位(黃海高程，下同)(P=1%)672.73m

正常高水位 671.50m

發(fā)電高水位 669.00m

(2)下游尾水位:

校核洪水位(P=1%) 666.28m

正常尾水位(一臺機(jī)額定水頭下發(fā)額定出力時) 654.40m

最低尾水水 652.50m

(3)水頭

最大凈水頭 19.00m

加權(quán)平均水頭 14.15m

額定水頭 14.00m

最小凈水頭 5.10m

(4)電站多年平均含沙量為1.5kg/m3。

(5)水庫調(diào)節(jié)特性為日調(diào)節(jié)。

(6)水輪機(jī)吸出高度不大于－9.0m (至水輪機(jī)安裝高程)。

(7)電站冷卻水進(jìn)水溫度最高為28℃。

2 寶靈寺貫流式電站水輪機(jī)增容方案可行性分析

2.1 水輪機(jī)增加出力的可行性分析

該電站的運(yùn)行水頭范圍為19.0 ～5.1m，水頭變幅較大，最大運(yùn)行水頭較高，這是本電站的一個特點(diǎn);另一個特點(diǎn)是機(jī)組在高水頭工況運(yùn)行的時間較長。因此，單位轉(zhuǎn)速和單位流量的選擇應(yīng)使水輪機(jī)在高水頭工況運(yùn)行時處于高效率區(qū)，在額定工況運(yùn)行時具有較高的效率，并能穩(wěn)定運(yùn)行，且空化性能好。但寶靈寺電站機(jī)組定貨在2003 年9 月，國內(nèi)中型高水頭(20m 左右)燈泡貫流式機(jī)組尚無運(yùn)行業(yè)績，寶靈寺電站在選型上偏保守，單位流量選擇比較小，機(jī)組容量冗余度較大(見下圖)。

GZ995A-MP-38 轉(zhuǎn)輪模型綜合性能曲線圖(Z1 =4，Z0 =16，db =0.38，Hm =5m，Hmax =20m，L=5.2D1)

2.2 水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速和單位流量的選擇

表1 比較了國內(nèi)外部分大型大容量燈泡機(jī)組的單位轉(zhuǎn)速和單位流量:在額定水頭為12 ～14m 水頭段，國內(nèi)尚無已投運(yùn)的大容量燈泡機(jī)組，尼那機(jī)組和金銀臺機(jī)組單位容量均為40MW，其單位轉(zhuǎn)速n'1在171.7 ～174.7r/min 之間，單位流量Q'1在2.351 ～2.385m3/s之間。國外在20 世紀(jì)七八十年代，就已經(jīng)有40MW以上的大機(jī)組投入運(yùn)行，其單位轉(zhuǎn)速n'1在165.8 ～182.3r/min 之間，單位流量Q'1在2.528 ～2.896m3/s之間。

表1 國內(nèi)外部分10～53MW 大型大容量燈泡機(jī)組的單位轉(zhuǎn)速和單位流量比較

在額定水頭為10 ～11m 水頭段，國內(nèi)已投運(yùn)和擬投運(yùn)的大容量燈泡機(jī)組單機(jī)容量為30 ～36MW，其單位轉(zhuǎn)速n'1在167.6 ～179.1r/min 之間，單位流量Q'1在2.629 ～2.770m3/s 之間。而國外在20 世紀(jì)七十年代就投運(yùn)的35 ～45MW 的大容量機(jī)組，其單位轉(zhuǎn)速n'1在172.8 ～179.2r/min 之間，單位流量Q'1在2.883 ～3.1305m3/s 之間。

在相同水頭段，國內(nèi)已投運(yùn)和擬投運(yùn)的大中容量燈泡機(jī)組的單位轉(zhuǎn)速n'1和單位流量Q'1均比國外小，投運(yùn)的時間國內(nèi)約晚20 ～30 年。當(dāng)國外53MW 級機(jī)組投入運(yùn)行時，國內(nèi)20MW 級的機(jī)組還需依賴進(jìn)口，由于燈泡機(jī)組在國內(nèi)的應(yīng)用較晚，因此國內(nèi)對燈泡機(jī)組參數(shù)的選擇偏于保守(當(dāng)然，機(jī)組參數(shù)的選擇還與電站所在河流的泥沙特性有關(guān))。該電站初步設(shè)計期間，由于條件限制，國內(nèi)可供選擇的轉(zhuǎn)輪較少，機(jī)組參數(shù)是按TF07 型轉(zhuǎn)輪選取的，參數(shù)水平較低。鑒于目前寶靈寺電站經(jīng)過了長時間的穩(wěn)定運(yùn)行，且涪江響巖段的河流泥沙含量也不大，因此確定該電站水輪機(jī)的單位轉(zhuǎn)速n'1為160 ～170r/min、單位流量Q'1為2.35 ～2.40m3/s 是可行的。國外通常選型時額定點(diǎn)單位流量Q'1已取到2.6m3/s 以上，寶靈寺電站增容后額定點(diǎn)單位流量Q'1為2.29m3/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外取值(低12%)，因此由于流量增大而引起的流速提高對水輪機(jī)效率的影響可以不予考慮。

2.3 原水輪機(jī)設(shè)計參數(shù)分析計算

2.3.1 單位轉(zhuǎn)速變化范圍

單位轉(zhuǎn)速變化范圍見表2。

表2 單位轉(zhuǎn)速變化范圍

2.3.2 額定工況點(diǎn)參數(shù)

根據(jù)模型綜合特性曲線查得，n1= 160r/min，!η =1.0%，ηT= !η +ηm= 94.7%，Q1= 1.6525m3/s，Q = 95.1m3/s。

2.3.3 導(dǎo)葉開度

寶靈寺電站導(dǎo)葉開度為0° ～73°，負(fù)荷在12MW時導(dǎo)葉開度為57°，負(fù)荷在14MW 時導(dǎo)葉開度為60°，開度滿足增容需要。

2.3.4 額定工況點(diǎn)吸出高度

原額定工況點(diǎn)吸出高度計算值為Hs=－6.3m，由于當(dāng)時取值比較保守，實(shí)際裝設(shè)值為－9.0m，增容到14MW 后，吸出高度計算值為Hs=－9.0m，滿足電站安全運(yùn)行要求。

2.3.5 原型水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況

機(jī)組投入運(yùn)行2 年多來，主機(jī)未發(fā)生重大問題，轉(zhuǎn)輪葉片、導(dǎo)葉良好，當(dāng)水頭在14.0m 左右，導(dǎo)葉開口在85%時，機(jī)組就可達(dá)到額定出力14.4MW。由此可見，機(jī)組具有超出力的潛力。

2.4 水輪機(jī)增容可行性計算

根據(jù)增容要求，水輪機(jī)在14.0m 及以上水頭運(yùn)行時出力能否達(dá)到14.4MW，現(xiàn)作如下分析計算。

2.4.1 Hr=14m、Nr=14.4MW 工況點(diǎn)的計算

2.4.2 Hmax=19.0m、Nr=14.4MW 工況點(diǎn)的計算

2.4.3 吸出高度及安全空蝕裕量的校核

按寶靈寺電站正常運(yùn)行水頭考慮，則對應(yīng)的吸出高度Hs為－9m。

(1)當(dāng)H=14.0m、N=14.4MW、σm=1.08 時

則安全空蝕裕量系數(shù)kσ=1.09。

(2)當(dāng)H=19m、N=14.4MW、σm=0.65 時

則安全空蝕裕量系數(shù)kσ=1.33。

當(dāng)水輪機(jī)在14.0m 及以上水頭運(yùn)行時，安全空蝕裕量kσ大于1.09，滿足水輪機(jī)的空蝕要求。

2.4.4 飛逸轉(zhuǎn)速

因最大水頭不變，導(dǎo)葉最大開度沒變，因此在協(xié)聯(lián)工況和非協(xié)聯(lián)工況下水輪機(jī)的最大飛逸轉(zhuǎn)速也不變。

2.4.5 軸向推力校核

機(jī)組增容后，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動部件沒有變動，且電站最大水頭仍然是19m，因此，水輪機(jī)的最大軸向力亦保持不變。

2.4.6 流道進(jìn)口流速校核

機(jī)組流道進(jìn)口面積S=35.5m2。

(1)增容后水輪機(jī)出力為14.4MW，水頭按14.0m 考慮，水輪機(jī)流量為111.2m3/s，則流道進(jìn)口平均流速為

(2)增容前水輪機(jī)出力為12.371MW 時，流量按Q=95.1m3/s 考慮，則流道進(jìn)口平均流速為

從以上計算可以看出，機(jī)組增容后流道平均流速提高了0.226m/s，流速相對提高了16.8%。但是，增容后進(jìn)口流速仍在正常設(shè)計允許范圍內(nèi)，由于流速的提高對水輪機(jī)效率產(chǎn)生的影響極小，可以忽略不計。

2.4.7 調(diào)節(jié)保證計算

電站增容改造水輪發(fā)電機(jī)組整個流道部分不需改動，即機(jī)組的最大升壓水頭應(yīng)該維持不變，因此調(diào)節(jié)保證計算應(yīng)以原機(jī)組的最大升壓水頭為限。經(jīng)計算，當(dāng)原調(diào)速器的關(guān)閉規(guī)律不變時，蝸殼的最大升壓水頭仍可維持原來的保證值，但是機(jī)組的速率上升較增容前略有上升，寶靈寺電站增容后，調(diào)保計算結(jié)果為:轉(zhuǎn)速上升不超過36.2%，壓力上升不超過43.6%:合同文件規(guī)定機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速上升值不超過額定轉(zhuǎn)速的60%，水輪機(jī)流道內(nèi)活動導(dǎo)葉前的最大水壓上升率不超過60%;同時國家規(guī)范執(zhí)行的是雙70%限定值，寶靈寺電站的保證值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于限定值，增容是可行的。

2.4.8 水輪機(jī)穩(wěn)定性分析

機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性主要與機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的不平衡、軸承間隙過大、發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子間隙不均勻、轉(zhuǎn)子線圈短路、轉(zhuǎn)輪水力不平衡等電氣、機(jī)械、水力因素和轉(zhuǎn)輪出口到尾水管上部流態(tài)有關(guān)。寶靈寺水電站機(jī)組增容前后，機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計保持不變，也就是說造成機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定和振動的上述電氣、機(jī)械、水力等因素將不會改變。至于轉(zhuǎn)輪出口到尾水管上部流態(tài)，主要體現(xiàn)在尾水管壓力脈動上，GZ995A 是從法國阿爾斯通引進(jìn)的轉(zhuǎn)輪，試驗在水輪機(jī)全部在運(yùn)行水頭和出力范圍內(nèi)其壓力脈動值均不超過7%，這樣寶靈寺水電站機(jī)組增容后，尾水管壓力脈動雖然在原來的基礎(chǔ)上有一定的增加，但不會超過5.5%。因此機(jī)組增容后水輪機(jī)將不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

2.4.9 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度分析

水輪機(jī)出力由12.371MW 增加至14.4MW 后，扭矩發(fā)生變化。但因最大水頭、導(dǎo)葉最大開口、葉片轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、軸向力等不變，因此導(dǎo)葉接力器、轉(zhuǎn)輪接力器、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)零部件、轉(zhuǎn)輪零部件、操作油管的剛強(qiáng)度不發(fā)生變化。僅主軸及連接螺栓、銷的強(qiáng)度發(fā)生變化。

利用經(jīng)驗公式計算主軸的軸身直徑:

計算參數(shù):Nr=12000kW，nr=166.7r/min，則

計算參數(shù):Nr=14000kW，nr=166.7 r/min，則

寶靈寺電站主軸的軸身直徑D =600mm，由計算結(jié)果可知，當(dāng)出力為12000kW 或14000kW 時，軸身直徑是完全可以滿足要求的。下面用出力為14000kW時校核軸身直徑的扭應(yīng)力和拉應(yīng)力。

主軸傳遞扭矩:

軸身斷面模數(shù):

計算參數(shù):軸身外徑D =60cm，軸身內(nèi)徑D0=12.5cm，則最大軸向水推力為

Pz= 164300kg

軸身應(yīng)力:

主軸工作狀態(tài)下的最小許用應(yīng)力值是650kgf/cm2，由計算結(jié)果知，當(dāng)主軸軸身直徑為600mm、機(jī)組出力達(dá)到14000kW 時，其扭應(yīng)力及拉應(yīng)力完全滿足要求，并有很大余量。

3 增容前后水輪機(jī)參數(shù)

增容前后水輪機(jī)參數(shù)見表3。

表3 增容前后水輪機(jī)參數(shù)一覽表

續(xù)表

4 結(jié) 語

(1)原水輪機(jī)設(shè)計裕量較大，水輪機(jī)具有超出力的潛力。

(2)額定水頭為14m 及以上、水頭出力為14.4MW 運(yùn)行時，吸出高度基本滿足要求。

(3)導(dǎo)葉開口、接力器行程、轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度、主軸強(qiáng)度、蝸殼的升壓水頭、主軸與轉(zhuǎn)輪體的連接銷強(qiáng)度等均滿足增容后的要求。

(4)水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證計算滿足增容后的要求，只是速率上升略有增加，只需對機(jī)組轉(zhuǎn)速保護(hù)裝置作適當(dāng)調(diào)整便能保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(5)電站進(jìn)行增容改造，除水輪機(jī)性能與各指標(biāo)滿足增容要求外，應(yīng)分析其水輪發(fā)電機(jī)及附屬設(shè)備的增容能力及方案，作者在《寶靈寺水電站水輪發(fā)電機(jī)及其附屬設(shè)備增容改造分析》一文中進(jìn)行了詳細(xì)論述。